適用于座載小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié)模塊的制作方法
【專利說明】適用于座載小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié)模塊 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于機械臂技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于座載小型機械臂的臂長可變的 機械臂關(guān)節(jié)模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，機器人技術(shù)取得了長足的進展，機械臂在機器人領(lǐng)域中得到最廣泛實際 的應(yīng)用，已應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等各種生產(chǎn)領(lǐng)域中，它的應(yīng)用加快了 生產(chǎn)的自動化和現(xiàn)代化，大幅度的提高了生產(chǎn)效率。
[0003] 現(xiàn)階段的機械臂通常具有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動均是通過步進電機或 伺服電機實現(xiàn)，由于步進電機或伺服電機的體積通常較大，這就需要機械臂每個關(guān)節(jié)部分 具有較大的體積，以便于安裝步進電機或伺服電機，而且機械臂自由度越多，其結(jié)構(gòu)也越復(fù) 雜，因而常規(guī)的工業(yè)機械臂存在以下缺點：結(jié)構(gòu)臃腫、占用空間大、功能單一、質(zhì)量大等。由 于這些缺點，使得普通工業(yè)機器人不能或者不適于對機器人體積和功能有嚴格控制的場合 比如教學(xué)實驗、娛樂及家庭服務(wù)等特殊行業(yè)。造成上述缺陷的基本原因是：其機械臂沒有采 用模塊化設(shè)計思想、機械臂的機械機構(gòu)沒有進行優(yōu)化設(shè)計、驅(qū)動和位置檢測單元是相互獨 立的，機械臂機械結(jié)構(gòu)相似，不同功能的實現(xiàn)嚴重依賴軟件，為了解決上述問題，本發(fā)明提 出了適用于座載小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié)模塊，它將機械臂的伸縮運動和旋轉(zhuǎn) 運動集成在一個關(guān)節(jié)中，利用機械臂關(guān)節(jié)伸縮運動的導(dǎo)軌作為機械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動的傳動 裝置，減小了機械臂關(guān)節(jié)的體積與質(zhì)量，增加了機械臂關(guān)節(jié)運動的靈活性，適用于組裝小型 機械臂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種可以實現(xiàn)機械臂關(guān)節(jié)伸縮與旋轉(zhuǎn)兩個自由度的機械臂關(guān)節(jié)模塊， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強、易于實現(xiàn)和維護、體積小、質(zhì)量小與運動靈活等特點。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0006] 適用于座載小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié)模塊包括電機導(dǎo)軌單元、同步帶 傳動單元、箱體支撐單元、驅(qū)動控制單元與外部連接單元。
[0007] 所述電機導(dǎo)軌單元，通過第一直驅(qū)電機的轉(zhuǎn)動帶動伸長桿完成本發(fā)明適用于座載 小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié)模塊轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計；同步帶傳動單元在電機導(dǎo)軌單元 提供的支撐下，在直驅(qū)電機的帶動下可沿導(dǎo)軌單元做直線運動，從而完成本發(fā)明適用于座 載小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié)模塊伸縮運動結(jié)構(gòu)設(shè)計；箱體支撐單元完成了對上 述結(jié)構(gòu)的安裝支撐與對發(fā)明模塊的封裝；外部連接單元為關(guān)節(jié)模塊與關(guān)節(jié)外結(jié)構(gòu)固定連接 塊，方便關(guān)節(jié)模塊與外界結(jié)合；驅(qū)動控制單元負責(zé)傳感器信息的采集處理、系統(tǒng)信號傳遞及 電機控制，完成關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)與伸縮運動。
[0008] 進一步，所述電機導(dǎo)軌單元包括第一直驅(qū)電機、第二滾動軸承、導(dǎo)軌、軸承支撐件、 支撐軸承軸與支撐軸承，第一直驅(qū)電機安裝在第二支撐板上，第二支撐板另一側(cè)固定有第 二滾動軸承，第二滾動軸承支撐與第一直驅(qū)電機的電機軸連接的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的另一端安裝 有軸承支撐件，支撐軸承通過軸承支撐軸安裝到軸承支撐件上，在第一直驅(qū)電機的帶動下， 導(dǎo)軌與軸承支撐件、支撐軸承隨之轉(zhuǎn)動。
[0009] 進一步，所述同步帶傳動單元包括同步輪、同步輪軸、同步帶、伸長桿、第一滾動軸 承、滾珠花鍵、第二直驅(qū)電機、軸齒輪、同步帶軸與電機齒輪。上端的同步輪通過同步輪軸安 裝在同步輪支撐板上，同步輪支撐板安裝的第三支撐板上，下端的同步輪安裝在同步帶軸 的兩端，同步帶通過上下兩端的同步輪張緊固定，同步帶軸中間位置安裝有軸齒輪，軸齒輪 與電機齒輪嗤合，電機齒輪安裝的第二直驅(qū)電機上。伸長桿設(shè)有螺紋孔、軸承槽、第一滾動 軸承軸肩與滾軸花鍵固定孔，其中螺紋孔用以固定外接法蘭，伸長桿的滾珠花鍵固定孔固 定有與導(dǎo)軌配合的滾珠花鍵，另一端由電機導(dǎo)軌單元的支撐軸承支撐，支撐軸承可以在伸 長桿的軸承槽內(nèi)滾動，從而在電機導(dǎo)軌單元的支撐下，伸長桿可做直線運動，伸長桿第一滾 動軸承軸肩處固定有第一滾動軸承，第一滾動軸承外側(cè)通過卡簧固定有同步帶固定板，同 步帶固定板用以固定同步帶。在第二直驅(qū)電機的帶動下電機齒輪轉(zhuǎn)動與之嚙合的軸齒輪轉(zhuǎn) 動，從而帶動同步帶軸與同步輪轉(zhuǎn)動，同步輪轉(zhuǎn)動帶動同步帶直線運動，與同步帶固連的同 步帶固定板直線運動，從而帶動伸長桿沿導(dǎo)軌直線運動。
[0010] 進一步，同步帶長度選取步驟為：
[0011] a、根據(jù)設(shè)計的尺寸初步確定同步輪的傳動比，考慮到模塊的整體尺寸，傳動比選 為 1:1 ;
[0012] b、根據(jù)設(shè)計尺寸初步選定兩同步輪的中心距a。；
[0013] c、根據(jù)初步選定的中心距由L。= 2a。+1. STCdjj+dXdjj-di)2/^。，初步確定同步帶 的長度，其中山，d2分別為同步輪的節(jié)圓直徑，查表選定與L。相近的同步帶長度L P;
[0014] d、由Lp根據(jù) M = 4LP-6. 28((^+(^)，反算出同步輪間距 9 - B 〇
[0015] 進一步箱體支撐單元包括同步輪支撐板、箱體、卡簧、同步帶固定板、第一支撐板、 第二直驅(qū)電機固定板、第二支撐板、第三支撐板與箱體蓋。同步輪支撐板安裝在第三支撐板 上用以支撐同步輪，第三支撐板安裝在箱體對應(yīng)的長方形槽內(nèi)，同步帶固定板設(shè)有第一滾 動軸承外圈固定端、卡簧槽與同步帶固定孔，卡簧槽內(nèi)安裝有卡簧，卡簧與第一滾動軸承外 圈固定端用以固定第一滾動軸承，同步帶通過同步帶固定孔與同步帶固定板固連，第二直 驅(qū)電機固定板安裝在第一支撐板上用以固定第二直驅(qū)電機，第一支撐板通過箱體上對應(yīng)的 長方形槽安裝到箱體上，第二支撐板上設(shè)有同步帶孔與第二滾動軸承定位孔，同步帶孔保 證同步帶的運動不受第二支撐板干擾，第二軸承支撐板用以固定第一直驅(qū)電機與第二滾動 軸承，箱體蓋安裝在箱體上，用以固定第一支撐板、第二支撐板與第三固定板。
[0016] 進一步驅(qū)動控制單元包括第二直驅(qū)電機接線、驅(qū)動控制器、電路外接端、電路外接 接線與第一直驅(qū)電機接線，第一直驅(qū)電機接線與第二直驅(qū)電機接線連接到驅(qū)動控制器上， 驅(qū)動控制器的信號通過電路外接接線連接到電路外接端用以和外部信號互換，驅(qū)動控制器 安裝在第一支撐板上。
[0017] 進一步外部連接單元包括外接法蘭，外接法蘭為整個關(guān)節(jié)模塊的執(zhí)行器用以向外 接輸出旋轉(zhuǎn)運動與直線運動。
[0018] 根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，其適用于座載小型機械臂的臂長可變的機械臂關(guān)節(jié) 模塊工作原理為在第一直驅(qū)電機轉(zhuǎn)動帶動下，導(dǎo)軌、軸承支撐件、支撐軸承及與導(dǎo)軌配合的 滾珠花鍵做旋轉(zhuǎn)運動，從而帶動伸長桿做旋轉(zhuǎn)運動，在第二直驅(qū)電機的作用下，通過電機齒 輪、軸齒輪、同步帶軸將第二直驅(qū)電機的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給同步輪，在同步輪的帶動下，安裝 在同步輪上的同步帶做直線運動，從而帶動與同步帶固連的同步帶固定板及伸長桿在電機 導(dǎo)軌單元的支撐下做直線運動，從而與伸長桿通過螺紋孔固連的外界法蘭可同時完成旋轉(zhuǎn) 與直線運動。電機導(dǎo)軌單元和同步帶傳動單元由箱體支撐單元完成支撐和定位，電機接線 經(jīng)過合理布局連接到驅(qū)動控制器上，由驅(qū)動控制單元負責(zé)傳電機自帶傳感器信號的采集處 理與電機的控制。
[0019] 本發(fā)明對比已有技術(shù)具有如下特點：
[0020] 1、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、集成度高；
[0021] 2、通過巧妙的設(shè)計將旋轉(zhuǎn)運動單元適當延長作為伸縮運動的導(dǎo)軌，空間利用率得 到很大程度的提高；
[0022] 3、設(shè)計采用模